【epoll】形象的解释epoll|一句话讲透epoll

形象的解释epoll|

多路复用

一句话讲透epoll

1. epoll概念

2. 水平触发与边缘触发

3. epoll接口介绍

形象的解释epoll|

转自：https://blog.csdn.net/u011671986/article/details/79449853

首先我们来定义流的概念，一个流可以是文件，socket，pipe等等可以进行I/O操作的内核对象。

不管是文件，还是套接字，还是管道，我们都可以把他们看作流。

之后我们来讨论I/O的操作，通过read，我们可以从流中读入数据；通过write，我们可以往流写入数据。现在假定一个情形，我们需要从流中读数据，但是流中还没有数据，(典型的例子为，客户端要从socket读如数据，但是服务器还没有把数据传回来)，这时候该怎么办？

阻塞：阻塞是个什么概念呢？比如某个时候你在等快递，但是你不知道快递什么时候过来，而且你没有别的事可以干(或者说接下来的事要等快递来了才能做)；那么你可以去睡觉了，因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话(假定一定能叫醒你)。

非阻塞忙轮询：接着上面等快递的例子，如果用忙轮询的方法，那么你需要知道快递员的手机号，然后每分钟给他挂个电话：“你到了没？”

很明显一般人不会用第二种做法，不仅显很无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。

大部分程序也不会用第二种做法，因为第一种方法经济而简单，经济是指消耗很少的CPU时间，如果线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片了。

为了了解阻塞是如何进行的，我们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用(你知道它很慢的)，当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。

假设有一个管道，进程A为管道的写入方，Ｂ为管道的读出方。

假设一开始内核缓冲区是空的，B作为读出方，被阻塞着。然后首先A往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉Ｂ该醒来了，这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。

但是“缓冲区非空”事件通知B后，B却还没有读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，如果内核也缓冲区满了，B仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个I/O事件，告诉进程A，你该等等(阻塞)了，我们把这个事件定义为“缓冲区满”。

假设后来Ｂ终于开始读数据了，于是内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉A，内核缓冲区有空位了，你可以从长眠中醒来了，继续写数据了，我们把这个事件叫做“缓冲区非满”

也许事件Y1已经通知了A，但是A也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，直到内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B，你需要阻塞了！，我们把这个时间定为“缓冲区空”。

这四个情形涵盖了四个I/O事件，缓冲区满，缓冲区空，缓冲区非空，缓冲区非满(注都是说的内核缓冲区，且这四个术语都是我生造的，仅为解释其原理而造)。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。(如果不能理解“同步”是什么概念，请学习操作系统的锁，信号量，条件变量等任务同步方面的相关知识)。

然后我们来说说阻塞I/O的缺点。但是阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。

于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现我们可以同时处理多个流了(把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论)：

忙轮询

while true {for i in stream[]; {if i has dataread until unavailable}}

我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点，阻塞模式下，内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象(后文介绍的select以及epoll)处理甚至直接忽略。

为了避免CPU空转，可以引进了一个代理(一开始有一位叫做select的代理，后来又有一位叫做poll的代理，不过两者的本质是一样的)。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流(于是我们可以把“忙”字去掉了)。代码长这样:

检测到数据后无差别轮询

while true {select(streams[])for i in streams[] {if i has dataread until unavailable}}

于是，如果没有I/O事件产生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题，我们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流(可能有一个，多个，甚至全部)，我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。

但是使用select，我们有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，每一次无差别轮询时间就越长。再次

说了这么多，终于能好好解释epoll了

epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。(复杂度降低到了O(1))

在讨论epoll的实现细节之前，先把epoll的相关操作列出：

epoll_create 创建一个epoll对象，一般epollfd = epoll_create()

epoll_ctl (epoll_add/epoll_del的合体)，往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件

比如

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//注册缓冲区非空事件，即有数据流入

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//注册缓冲区非满事件，即流可以被写入

epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生

(注：当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空，write/read会返回-1，并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件)。

一个epoll模式的代码大概的样子是：

while true {active_stream[] = epoll_wait(epollfd)for i in active_stream[] {read or write till}}

限于篇幅，我只说这么多，以揭示原理性的东西，至于epoll的使用细节，请参考man和google，实现细节，请参阅linux kernel source。

《I/O多路复用之epoll实战》https://www.cnblogs.com/luxiaojun/p/7084360.html

多路复用

如文初的说明表示，这三者都是 I/O 多路复用机制，且简要介绍了多路复用的定义，那么如何更加直观地了解多路复用呢？这里有张图：

对于网页服务器 Nginx 来说，会有很多连接进来， epoll 会把他们都监视起来，然后像拨开关一样，谁有数据就拨向谁，然后调用相应的代码处理。

一般来说以下场合需要使用 I/O 多路复用：

当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口)
如果一个服务器既要处理 TCP，又要处理 UDP，一般要使用 I/O 复用
如果一个 TCP 服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口

一句话讲透epoll

1. epoll概念

在Linux的Man文档中，我们可以看到如下定义

Epoll - I/O event notification facility
epoll是一种I/O事件通知机制

I/O事件

I/O
输入输出(input/output)，输入输出的对象可以是文件(file), 网络(socket), 进程之间的管道(pipe), 在linux系统中，都用文件描述符(fd)来表示
事件
- 可读事件，当文件描述符关联的内核读缓冲区可读，则触发可读事件
  什么是可读呢？ 就是内核缓冲区非空，有数据可以读取
- 可写事件, 当文件描述符关联的内核写缓冲区可写，则触发可写事件
  什么是可写呢？就是内核缓冲区不满，有空闲空间可以写入

通知机制

通知机制，就是当事件发生的时候，去通知他
通知机制的反面，就是轮询机制

以上两点结合起来理解

epoll是一种当文件描述符的内核缓冲区非空的时候，发出可读信号进行通知，当写缓冲区不满的时候，发出可写信号通知的机制

2. 水平触发与边缘触发

水平触发(level-trggered)

只要文件描述符关联的读内核缓冲区非空，有数据可以读取，就一直发出可读信号进行通知，
当文件描述符关联的内核写缓冲区不满，有空间可以写入，就一直发出可写信号进行通知

边缘触发(edge-triggered)

当文件描述符关联的读内核缓冲区由空转化为非空的时候，则发出可读信号进行通知，
当文件描述符关联的内核写缓冲区由满转化为不满的时候，则发出可写信号进行通知

两者的区别在哪里呢？水平触发是只要读缓冲区有数据，就会一直触发可读信号，而边缘触发仅仅在空变为非空的时候通知一次，举个例子：

读缓冲区刚开始是空的
读缓冲区写入2KB数据
水平触发和边缘触发模式此时都会发出可读信号
收到信号通知后，读取了1kb的数据，读缓冲区还剩余1KB数据
水平触发会再次进行通知，而边缘触发不会再进行通知

所以边缘触发需要一次性的把缓冲区的数据读完为止，也就是一直读，直到读到EGAIN为止，EGAIN说明缓冲区已经空了，因为这一点，边缘触发需要设置文件句柄为非阻塞

//水平触发ret = read(fd, buf, sizeof(buf));//边缘触发while(true) {ret = read(fd, buf, sizeof(buf);if (ret == EAGAIN) break;}

3. epoll接口介绍

epoll_create
- 创建epoll实例，会创建所需要的红黑树，以及就绪链表，以及代表epoll实例的文件句柄
  
  int epoll_create(int size);
  Man文档中说明了在老的内核版本中，入参size用来指出创建的内部数据结构的大小，目前已经可以动态调整，但是为了兼容老的版本，所以仍然保留，这个size其实意义已经不大
epoll_ctl
- 添加，修改，或者删除注册到epoll实例中的文件描述符上的监控事件
  
  int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
  对于添加到epfd的文件描述符fd, 添加或者删除或者修改，对应的event
  - epfd: 通过epoll_create创建的文件描述符
  - op:操作类型
    EPOLL_CTL_ADD, 为相应fd添加事件
    EPOLL_CTL_MOD, 修改fd的事件
    EPOLL_CTL_DEL，删除fd上的某些事件
  - fd: 操作的目标文件描述符
  - event: 要操作的事件
```
typedef union epoll_data {void  *ptr;int  fd;uint32_t     u32;uint64_t     u64;
} epoll_data_t;struct epoll_event {uint32_t  events;      /* Epoll events */epoll_data_t data;        /* User data variable */
};events可以是一组bit的组合EPOLLIN：可读EPOLLOUT: 可写EPOLLET: 边缘触发，默认是水平触发
```
epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout)
等待注册的事件发生，返回事件的数目，并将触发的事件写入events数组中
- epfd: epoll实例文件描述符
- events: 数组出参，用来记录被触发的events，其大小应该和maxevents一致
- maxevents: 返回的events的最大个数，如果最大个数大于实际触发的个数，则下次epoll_wait的时候仍然可以返回
- timeout: 等待事件，毫秒为单位 -1:无限等待 0:立即返回

了解以上这些，面试是足够了，但是对于工程中的实际使用，仍然不足，后续会以epoll在redis中的使用为例，为大家进行剖析

作者：ld9183
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来源：简书
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